CN104792521B - 一种汽车同步器试验台换挡机械手及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车同步器试验台换挡机械手及其控制装置，该换挡机械手包括安装底板，由选挡轴、换挡摇臂、中间连杆及换挡支撑杆依次铰接而成的四连杆机构，选挡轴可旋转地安装在安装底板上；选挡电机输出轴与选挡轴传动连接；换挡气缸铰接在选挡轴和换挡摇臂之间；换挡连杆铰接在换挡支撑杆上端；拉压力传感器和角度传感器分别设在四连杆机构上。其控制装置包括控制单元MCU和人机界面LCD；换挡机械手通过拉压力传感器和角度传感器与控制单元MCU电联接；所述控制单元MCU分别与换挡气缸的换挡电磁阀和选挡电机电联接；所述人机界面LCD与控制单元MCU通信连接。有益效果是：操作简单，能更好地模拟人手的选换挡效果，定位精度高，可精确控制、运行平稳。

Description

一种汽车同步器试验台换挡机械手及其控制装置

技术领域

本发明属于汽车试验装置技术领域，特别涉及一种用于汽车变速箱同步器性能试验和寿命试验的汽车同步器试验台换挡机械手及其控制装置。

背景技术

汽车同步器性能和寿命试验是汽车机械式手动变速箱台架试验的重要内容，因此汽车制造商把该项试验列为产品开发过程中重要环节。国外较早开始了同步器性能与寿命测试试验台的研发工作，并开发了多款不同结构和性能的试验台产品。在国内，许多高校和研究单位已经开发了多种不同性能的同步器试验台，但普遍存在功能单一、成本高、通用性差、人机界面不友好、智能化和自动化程度低等缺点。

目前的同步器试验台控制设备大多采用单一动力源驱动选换挡动作，常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动。液压驱动和电机驱动响应速度快、定位精确，但缓冲效果差，换挡冲击大；气压驱动缓冲性能好，能最好地模拟人手的换挡效果，但是定位精度差。目前的解决方法是在气缸中增加机械定位装置，这样可以提高定位精度，但是又不可避免地产生冲击，换挡速度和换挡力会出现脉动，且换挡行程改变时需要改变定位装置的位置，操作复杂，工作量大。

国内主流的试验台控制系统多采用工控机和数据采集卡联合控制，这不仅要求工控机稳定性高，而且要求每个试验台都需要一台工控机来控制，致使开发成本高，造成资源的极大浪费。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术存在的上述问题，提供一种操作简单，能更好地模拟人手的选换挡效果，定位精度高，可精确控制、运行平稳的汽车同步器试验台换挡机械手及其控制装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种汽车同步器试验台换挡机械手，包括安装底板；

一个四连杆机构，是由选挡轴、换挡摇臂、中间连杆及换挡支撑杆依次铰接而成，所述选挡轴可旋转地安装在安装底板上；用于作为执行机构完成选换挡动作；

选挡电机，设在选挡轴一端且输出轴与选挡轴传动连接，用于驱动四连杆机构旋转实现选挡；

换挡气缸，铰接在选挡轴和换挡摇臂之间，用于驱动四连杆机构摆动实现换挡；

换挡连杆，一端铰接在换挡支撑杆上端，换挡连杆的另一端铰接换挡杆套筒并通过换挡杆套筒套在变速器换挡杆上，用于带动变速器换挡杆完成选换挡；

拉压力传感器，设在所述四连杆机构上，用于进行换挡力检测；

角度传感器，设在所述四连杆机构上，用于标记换挡位置。

作为进一步优选，所述换挡摇臂上端通过一个连接块与中间连杆铰接，所述中间连杆一端可旋转地安装在连接块内。

作为进一步优选，所述拉压力传感器安装在中间连杆上靠近连接块一端。

作为进一步优选，所述角度传感器为两个且分别安装在所述选挡轴的另一端和换挡支撑杆的下端，分别用于测量四连杆机构的旋转和摆动角度。

作为进一步优选，所述选挡轴两端分别通过轴承座和轴承安装在安装底板上，其中设在选挡轴另一端的角度传感器的壳体固定在轴承座上，设在换挡支撑杆下端的角度传感器的壳体固定在选挡轴上，两个角度传感器的转轴分别与选挡轴的另一端和换挡支撑杆下端的铰轴固接。

作为进一步优选，所述选挡电机为伺服电机。

一种汽车同步器试验台换挡机械手的控制装置，包括换挡机械手、控制单元MCU和人机界面LCD；

所述换挡机械手通过拉压力传感器和角度传感器与控制单元MCU电联接，用于将测量信号传递给控制单元MCU；

所述控制单元MCU的PWM端口通过驱动电路分别与换挡气缸的换挡电磁阀和选挡电机电联接，用于根据接收到的传感器测量信号产生相应的PWM信号，驱动选挡电机和换挡气缸完成选换挡动作；

所述人机界面LCD与控制单元MCU通信连接，用于给控制单元MCU发送指令并显示试验过程中的重要参数。

作为进一步优选，该控制装置还设有转速传感器和温度传感器，所述转速传感器为二个且分别用于测量变速器的输入轴和输出轴转速，所述温度传感器用于测量变速箱的油温。

作为进一步优选，所述控制单元MCU通过IIC总线连接有EEPROM，用于存储换挡杆的挡位位置和选挡位置。

作为进一步优选，所述的人机界面LCD通过RS232接口与控制单元MCU通信连接。

本发明的有益效果是：

1、由于换挡机械手采用由选挡电机和换挡气缸构成的混合动力驱动，能够充分利用气动与电机驱动的优点来匹配选换挡对驱动力的不同要求。气动驱动弹性大，缓冲性能好，能最好地模拟驾驶员的手动换挡动作；选挡电机驱动结构简单，安装方便，启动、停止和反转响应灵敏准确，并且误差不会积累，能最好的模拟选挡动作；因此定位精度高，可实现精确控制、运行平稳。

2、该控制装置具有自学习功能。通过控制单元MCU可以学习并记忆挡位信息，使试验台能够适用于不同换挡行程、不同挡位分布的手动变速器。更换变速箱后只需经过简单的学习操作即可记忆所有挡位位置和选挡位置，绘制出挡位分布图并通过人机界面LCD显示出来，试验时只需选择要测试的同步器对应的挡位即可自动完成连续选换挡，无需进行复杂的人工操作，操作更加简单。

3、该控制装置能够实现选挡气缸位置的精确控制。通过控制单元MCU内设置智能PID控制器能够自动识别被控对象的参数变化，自动整定控制参数，通过改变PWM信号的占空比来改变一个周期内换挡电磁阀开启和关闭的时间，从而控制换挡气缸两端的进气量。同时通过采用反推制动技术，在换挡气缸到达目标挡位置时打开反向电磁阀，使换挡气缸两腔的气压平衡，抵消压缩空气膨胀，从而能够使换挡气缸精准地停在目标挡位置，定位准确。

4、该控制装置具有故障自诊断功能。由控制单元MCU通过检测和计算换挡力、换挡时间、变速器油温等，根据预先存储的换挡数据判断是否出现换挡困难、换挡力超限、变速箱油温超限等故障，如果出现立即自动停机。

5、该控制装置具有远程通讯功能。试验台控制单元MCU通过CAN总线能够与室内上位机通讯，通过一台上位机可以同时监控多台实验设备的运行状况，也可以选择监控某几个试验台。

附图说明

图1为本发明所述的换挡机械手的结构示意图。

图2是本发明所述的控制单元MCU的结构框图。

图3是本发明控制装置的结构框图。

图中：选挡电机1，选挡轴2，换挡摇臂3，换挡气缸4，连接块5，拉压力传感器6，中间连杆7，换挡支撑杆8，换挡连杆9，换挡杆套筒10，角度传感器11，安装底板12，角度传感器13，轴承座14，底座15，轴承座16，微控制器17，驱动电路18，开关量采集处理电路19，模拟量采集处理电路20，温度传感器21，转速传感器22，转速测量整形电路23，电源模块24，控制单元MCU25，换挡电磁阀26，人机界面LCD27，EEPROM28。

具体实施方式

如图1所示，本发明所涉及的一种汽车同步器试验台换挡机械手，包括一个安装底板12，在安装底板12上设有一个四连杆机构，四连杆机构是由选挡轴2、换挡摇臂3、中间连杆7及换挡支撑杆8依次铰接而成，所述换挡摇臂3上端通过一个连接块5与中间连杆7铰接，所述中间连杆7一端可旋转地安装在连接块5内。所述选挡轴2两端分别通过轴承座14、16和轴承可旋转地水平安装在安装底板12上，选挡轴2两端的轴承座14、16分别为U型和L型并通过螺栓固定在安装底板12上。在选挡轴2一端的U型轴承座16上固定有选挡电机1，作为优选，所述选挡电机1为伺服电机，选挡电机1输出轴与选挡轴2一端通过花键插接，用于驱动选挡轴2及四连杆机构旋转实现选挡。在选挡轴2和换挡摇臂3之间铰接在换挡气缸4，换挡气缸4倾斜布置于四连杆机构内，换挡气缸4的缸体一端通过与缸体垂直固接的底座15铰接在选挡轴2上，换挡气缸4的缸杆一端铰接在换挡摇臂3的上部，用于驱动四连杆机构摆动实现换挡。在换挡支撑杆8上端对应中间连杆7一端还铰接有换挡连杆9，换挡连杆9的另一端铰接换挡杆套筒10并通过换挡杆套筒10套在变速器换挡杆上。用于带动变速器换挡杆完成选换挡。

在所述四连杆机构上设有拉压力传感器6和角度传感器，分别用于进行换挡力检测和标记换挡位置。所述拉压力传感器6固定安装在所述中间连杆7上靠近连接块5一端；所述角度传感器为两个且分别安装在所述选挡轴2的另一端和换挡支撑杆8的下端，分别用于测量四连杆机构的旋转和摆动角度。所述角度传感器11和13为非接触式角度传感器，其中设在选挡轴2另一端的角度传感器11的壳体通过一个支座固定在轴承座14上，设在换挡支撑杆8下端的角度传感器13的壳体通过一个支座固定在选挡轴2上，两个角度传感器11和13的转轴分别与选挡轴2的另一端和换挡支撑杆8下端的铰接轴插接并通过顶丝固接。

本发明所述的一种汽车同步器试验台换挡机械手的控制装置，包括换挡机械手、控制单元MCU25和人机界面LCD27。所述换挡机械手通过拉压力传感器6及二个角度传感器11和13与控制单元MCU25电联接，用于将测量信号传递给控制单元MCU。

如图2所示，所示控制单元MCU25以嵌入式微控制器17为核心，包括微控制器17以及分别与微控制器17电联接的电源模块24、转速测量整形电路23、模拟量采集处理电路20、开关量采集处理电路19和驱动电路18。微控制器17通过转速测量整形电路23与二个转速传感器22电联接，微控制器17通过模拟量采集处理电路20分别与所述角度传感器11和13、拉压力传感器6和温度传感器21电联接，以便于采集试验台运行参数，如选挡轴2转角、换挡杆转角、换挡力大小和变速箱油温，检测变速箱同步器的运行情况，学习并记忆挡位信息。微控制器17的PWM端口通过驱动电路18分别与换挡气缸4的换挡电磁阀26和选挡电机1电联接，用于根据接收到的传感器测量信号产生相应的PWM信号，控制选挡电机1和换挡电磁阀26的动作顺序和动作行程，从而实现选换挡动作。微控制器17通过开关量采集处理电路19进行功能选择、变速箱油温超限处理、换挡力超限处理以及故障诊断及报警。

作为优选，该控制装置还包括转速传感器22和温度传感器21，所述转速传感器22为二个并设在变速器上，分别用于测量变速器的输入轴和输出轴转速；所述温度传感器21设置在变速器的箱体上，用于测量变速器箱体的油温。

所述人机界面LCD27的LCD触摸屏通过RS232接口与微控制器17通信连接，用于给控制单元MCU25发送指令并显示试验过程中的重要参数。所述人机界面LCD27主要功能包括挡位学习界面、试验操作界面、参数及曲线显示界面等。通过人机界面LCD27可以实时观测试验过程中的重要参数，如变速器输入轴和输出轴转速、换挡力、变速箱油温等，分析评价同步器性能。

作为优选，所述微控制器17通过IIC总线连接有EEPROM28，以便存储换挡杆的挡位位置和选挡位置。

如图3所示，试验时首先进行挡位学习和记忆。先手动换挡几次，微控制器17通过所述角度传感器11、13和拉压力传感器6信号记住换挡杆的挡位位置和选挡位置，之后微控制器17将挡位数据按照一定的顺序由IIC总线写入到EEPROM28中。

然后选择两个相邻挡位进行测试，微控制器17从EEPROM28中读取相应的挡位信息，判断两个挡位的选挡位置是否相等，相等则调用直线换挡子程序，不相等则调用曲线换挡子程序。曲线换挡在换挡到达空挡位置时需要选挡电机1参与选挡动作，而直线换挡不需要选挡电机1的参与。

在换挡过程中，通过转速传感器22测量变速器输入轴和输出轴转速，通过拉压力传感器6测量换挡力，通过温度传感器21测量变速器油温等信号传递到微控制器17，微控制器17根据智能PID控制器的控制程序产生相应的PWM信号，PWM信号通过驱动电路18进行功率放大后驱动选挡电机1和换挡电磁阀26完成选换挡动作。

实验过程中，微控制器17根据各个传感器信号计算出同步时间、同步位移和绘制同步性能曲线，并通过所述LCD触摸屏显示数据。实验者可根据现实观察和分析实验数据，及时处理实验过程中遇到的问题。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种汽车同步器试验台换挡机械手，其特征在于：包括安装底板；

一个四连杆机构，是由选挡轴、换挡摇臂、中间连杆及换挡支撑杆依次铰接而成，所述选挡轴可旋转地安装在安装底板上；用于作为执行机构完成选换挡动作；

选挡电机，设在选挡轴一端且输出轴与选挡轴同轴传动连接，用于驱动四连杆机构绕选挡轴旋转实现选挡；

换挡气缸，铰接在选挡轴和换挡摇臂之间，用于驱动四连杆机构摆动实现换挡；

换挡连杆，一端铰接在换挡支撑杆上端，换挡连杆的另一端铰接换挡杆套筒并通过换挡杆套筒套在变速器换挡杆上，用于带动变速器换挡杆完成选换挡；

拉压力传感器，设在所述四连杆机构上，用于进行换挡力检测；所述拉压力传感器安装在中间连杆上靠近连接块一端；

角度传感器，其为两个且分别安装在所述选挡轴的另一端和换挡支撑杆的下端，分别用于测量四连杆机构的旋转和摆动角度；所述角度传感器为非接触式角度传感器。

2.根据权利要求1所述的一种汽车同步器试验台换挡机械手，其特征在于：所述换挡摇臂上端通过一个连接块与中间连杆铰接，所述中间连杆一端可旋转地安装在连接块内。

3.根据权利要求1所述的一种汽车同步器试验台换挡机械手，其特征在于：所述选挡轴两端分别通过轴承座和轴承安装在安装底板上，其中设在选挡轴另一端的角度传感器的壳体固定在轴承座上，设在换挡支撑杆下端的角度传感器的壳体固定在选挡轴上，两个角度传感器的转轴分别与选挡轴的另一端和换挡支撑杆下端的铰轴固接。

4.根据权利要求1所述的一种汽车同步器试验台换挡机械手，其特征在于：所述选挡电机为伺服电机。

5.一种汽车同步器试验台换挡机械手的控制装置，包括权利要求1-4任意一项所述的换挡机械手，其特征在于：还包括控制单元MCU和人机界面LCD；

所述换挡机械手通过拉压力传感器和角度传感器与控制单元MCU电联接，用于将测量信号传递给控制单元MCU；

所述控制单元MCU的PWM端口通过驱动电路分别与换挡气缸的换挡电磁阀和选挡电机电联接，用于根据接收到的传感器测量信号产生相应的PWM信号，驱动选挡电机和换挡气缸完成选换挡动作；

所述人机界面LCD与控制单元MCU通信连接，用于给控制单元MCU发送指令并显示试验过程中的重要参数。

6.根据权利要求5所述的一种汽车同步器试验台换挡机械手的控制装置，其特征在于：还包括转速传感器和温度传感器，所述转速传感器为二个且分别用于测量变速器的输入轴和输出轴转速，所述温度传感器用于测量变速箱的油温。

7.根据权利要求5或6所述的一种汽车同步器试验台换挡机械手的控制装置，其特征在于：所述控制单元MCU通过IIC总线连接有EEPROM，用于存储换挡杆的挡位位置和选挡位置。

8.根据权利要求7所述的一种汽车同步器试验台换挡机械手的控制装置，其特征在于：所述的人机界面LCD通过RS232接口与控制单元MCU通信连接。